興安落葉松林土壤養分與酶活性的動態分析

黨乾順，隋心，陳福元，穆立薔*

(1.東北林業大學 林學院, 哈爾濱 150040；2.黑龍江大學 生命學院, 哈爾濱 150080；3.黑龍江中央站黑嘴松雞國家級自然保護區服務中心，黑龍江 嫩江 161400)

0 引言

森林土壤是氣候、生物、母質、地形和時間等外在因素在森林生態系統中的重要組成，土壤中生物與環境相互作用產生的大量營養物質，能夠提供林木生長發育所需的水、肥、氣、熱，影響林木生長和林地生產力水平[1-2]。土壤理化性質作為控制森林植物生長發育的關鍵生態因子，是決定土壤肥力和土壤質量的重要指標[3]。土壤中一切生物化學過程都是在土壤酶的作用下進行的，土壤酶在森林生態系統的物質循環和能量流動過程中扮演著重要角色，其活性反映土壤中各種生物化學過程的動向和強度。土壤酶與土壤生物學活性密切相關[4-5]，對生境條件變化特別敏感，廣泛應用于森林生態系統監測和環境質量評價過程中[6-8]。

目前，國內外關于森林生態系統土壤理化性質與酶活性的變化關系已開展大量研究，作為能夠直接參與土壤中各種生物化學反應且具有生物催化能力的蛋白類化合物，土壤酶的重要性不言而喻。現如今，對土壤養分和酶活性關系的影響因子研究報道眾多，如林分類型[9]、海拔[10]、季節變化[11]和林下植被類型[12]等，林分類型對土壤酶活性的影響多集中于與土壤碳氮循環相關的少數幾種酶上，研究結果不盡相同[13-14]。土壤脲酶、蔗糖酶和FDA水解酶等酶活性能夠表征土壤氮、磷、碳養分的循環狀況，蛋白酶能夠水解各種蛋白質及肽類等化合物，其活性與植物氮素吸收具有極其重要的關系[15]，脫氫酶、過氧化物酶等酶活性與土壤腐殖化過程、生物呼吸強度緊密相關[16]。

森林生態系統是一個復雜的系統，具有豐富的物種多樣性、結構多樣性、食物鏈、食物網以及功能過程多樣性等，不同地區或不同森林生態系統其土壤理化性質和酶活性的季節動態規律不同。對于寒溫帶地區，由于受到長期的人類活動和全球變化的影響，興安落葉松(Larixgmelinii)生態系統功能也發生了明顯變化，因此探究不同興安落葉松林土壤理化性質和酶活性的季節動態對了解興安落葉松林生態系統功能改變具有十分重要的意義。

黑龍江中央站黑嘴松雞國家級自然保護區地處大小興安嶺過渡區，其森林類型具有大興安嶺和小興安嶺植被的特征，當前，保護區內興安落葉林主要有白樺(Betulaplatyphylla)-興安落葉松林、杜鵑(Rhododendrondauricum)-興安落葉松林、興安落葉松純林和興安落葉松人工林4種主要類型。森林類型改變尤其是建群種改變會導致土壤生態系統功能發生變化，土壤生態系統受地上植被組成的影響更顯著。鑒于此，本研究選取黑龍江中央站黑嘴松雞國家級自然保護區4種不同興安落葉松林型為研究對象，按季節劃分進行采樣，測定不同季節的土壤化學性質和酶活性，同時探究其隨季節的變化動態，旨在探究寒溫帶興安落葉松林土壤養分與酶活性的差異和變化規律，為深入了解我國寒溫帶森林交錯區森林生態系統功能和未來發展趨勢提供科學依據和數據基礎。

1 試驗地概況與研究方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于黑龍江中央站黑嘴松雞國家級自然保護區(126°00′～126°45′E，48°30′～48°50′N)，保護區地處黑龍江省黑河市西南部，小興安嶺西南山麓與松嫩平原的過渡地帶，總面積988.6 km2。屬溫帶大陸性季風氣候，冬季嚴寒漫長，夏季涼爽短促；年均氣溫-0.5 ℃，無霜期121 d，年均降雨量476.33 mm，多年平均相對濕度69.2%。不同森林類型呈隨機性分布，有針葉林、針闊混交林和闊葉林，森林覆蓋率達82.4%[17]，受周邊環境影響，處于不同演替階段的植物群落均有分布，為典型的高寒森林生態系統，主要樹種有興安落葉松、紫椴(Tiliaamurensis)、鉆天柳(Choseniaarbutifolia)、白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、山楊(Populusdavidiana)、稠李(Prunuspadus)、大黃柳(Salixraddeana)和東北赤楊(Alnusmandshurica)等。

1.2 樣品采集

2020年5—11月，在保護區內選取白樺-興安落葉松林、杜鵑-興安落葉松林、興安落葉松純林和興安落葉松人工林(主要樹種組成有興安落葉松、白樺、黑樺、蒙古櫟和紫椴等，所有樹種平均胸徑10.77 cm，胸徑1～9 cm植株占總體的50%以上)4種典型興安落葉松林，每種林型選擇3塊標準樣地(20 m×20 m)，每隔1個月取樣1次，取樣時間為每月中旬(因當地氣溫低，凍融時間早，11月就有積雪，故最后一次采集于10月下旬)。在每塊樣地，利用土壤取樣器采用五點采樣法取0～10 cm厚土層樣品，混合均勻后放入封口袋，貼好標簽帶回實驗室。清理掉摻入土壤中的雜質，一部分過2 mm土篩置于-20 ℃冰箱中保存，留待土壤酶活性以及土壤速效養分測定，一部分風干過0.149 mm土篩常溫保存，留待土壤有機質、全氮、全磷和全鉀含量等測定。

1.3 土壤化學性質測定

土壤全氮含量采用凱氏定氮儀(型號K9860)測定[18]；速效氮含量測定采用堿解擴散法[19]；全磷含量測定采用硫酸-高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法，有效磷含量測定采用碳酸氫鈉法[20]；全鉀含量采用氫氧化鈉堿熔法-火焰光度計測定[21]；速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度計法[22]；有機碳含量測定采用外加熱(油浴)法[23]。

1.4 土壤酶活性測定

采用蘇州科銘生物技術有限公司生產的試劑盒測定土壤中5種酶活性，分別為過氧化氫酶(S-CAT)、酸性磷酸酶(S-ACP)、脲酶(S-UE)、蔗糖酶(S-SC)和纖維素酶(S-CL)，具體操作方法嚴格按照說明書流程進行。

1.5 數據處理

利用Excel 2019軟件進行數據基本分析，SPSS19.0軟件進行數據統計分析，Origin2019軟件繪圖。采用單因素方差分析檢驗不同林型間土壤化學性質和酶活性的差異性，多重比較采用最小顯著差數法；采用Pearson對土壤化學性質與酶活性進行相關分析；運用主成分分析從土壤化學性質和酶活性的14個指標中選出對土壤功能影響較大的幾個因素；采用Canoco5.0進行土壤化學性質和酶活性的冗余分析。

2 結果與分析

2.1 不同季節不同興安落葉松林土壤化學性質分析

由表1可知，不同林型不同季節條件下土壤全氮、全磷、速效磷、速效鉀、有機碳含量和碳氮比均存在極顯著變化，土壤速效氮和全鉀含量存在顯著變化。

對不同林型不同月份土壤化學性質進行方差分析，結果見表2。由表2進行如下分析。

表2 土壤化學性質的方差分析

(1)白樺-興安落葉松林土壤全氮含量隨季節波動較小，差異不顯著；興安落葉松純林和人工林土壤全氮含量隨季節變化逐漸降低，其中人工林波動幅度更大，5月最高為1.03 g/kg，10月最低為0.30 g/kg；杜鵑-興安落葉松林土壤全氮含量9月最高為0.93 g/kg，5月最低為0.17 g/kg。興安落葉松純林和人工林土壤速效氮含量隨季節變化逐漸降低，5月最高分別為0.38、0.48 g/kg，10月最低分別為0.18、0.12 g/kg；白樺-興安落葉松林土壤速效氮含量隨季節變化表現為降低—降低—升高趨勢，9月最低為0.16 g/kg，10月最高為0.33 g/kg；杜鵑-興安落葉松林壤速效氮含量變化趨勢剛好相反，9月最高為0.46 g/kg，5月最低為0.08 g/kg。

(2)白樺-興安落葉松林和杜鵑-興安落葉松林土壤全鉀含量隨季節變化先升高再降低再升高，9月最低分別為4.68和6.02 g/kg；興安落葉松純林土壤全鉀含量隨季節變化持續下降，10月最低為3.66 g/kg；興安落葉松人工林土壤全鉀含量隨季節變化先升高再降低，10月最低為2.22 g/kg。興安落葉松純林和人工林土壤速效鉀含量隨季節變化逐漸降低；杜鵑-興安落葉松林土壤速效鉀含量隨季節變化表現為升高—升高—降低趨勢，9月最高為0.46 g/kg，5月最低為0.17 g/kg；白樺-興安落葉松林土壤速效鉀含量隨季節變化表現為降低—升高—升高趨勢。

(3)杜鵑-興安落葉松林和興安落葉松人工林土壤全磷含量隨季節的變化趨勢基本一致，7月最高分別為1.05、3.23 g/kg；白樺-興安落葉松林和興安落葉松純林土壤全磷含量隨季節變化逐漸降低，10月其含量有小幅度回升。白樺-興安落葉松林土壤有效磷含量隨季節變化表現為降低—升高—升高趨勢，10月最高為61.93 mg/kg，7月最低為32.72 mg/kg；興安落葉松純林和人工林土壤有效磷含量7月、9月和10月的變化趨勢一致，逐漸減小，興安落葉松純林5月有效磷含量最低為35.90 mg/kg，人工林5月有效磷含量最高為77.92 mg/kg；杜鵑-興安落葉松林土壤有效磷含量隨季節變化表現為升高—升高—降低趨勢，9月最高為126.74 mg/kg，5月最低為70.39 mg/kg。

(4)興安落葉松純林與人工林土壤有機碳含量隨季節的變化趨勢基本一致，7月最高分別為66.00和76.70 g/kg，5月最低分別為53.88和9.45 g/kg；杜鵑-興安落葉松林土壤有機碳含量隨季節變化表現為升高—降低—升高趨勢，與白樺-興安落葉松林恰好相反。

(5)白樺-興安落葉松林和興安落葉松純林10月土壤碳氮比與其他3個月差異均顯著；興安落葉松人工林土壤碳氮比5月最低，與其他3個月差異顯著；杜鵑-興安落葉松林土壤碳氮比9月最低，其他3個月之間差異不顯著。

2.2 不同季節不同興安落葉松林土壤酶活性分析

由表3可知，不同林型不同季節條件下5種酶(纖維素酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、脲酶和過氧化氫酶)活性均存在極顯著差異。

表3 不同林型和不同季節土壤酶活性方差分析

不同林型不同月份的土壤酶活性隨季節變化趨勢見表4。由表4進行如下分析。

表4 土壤酶活性隨季節變化趨勢

(1)杜鵑-興安落葉松林、興安落葉松純林和人工林土壤酸性磷酸酶活性隨季節的變化趨勢基本一致，9月最高，10月最低；白樺-興安落葉松林土壤酸性磷酸酶活性隨季節變化表現為升高—降低—升高趨勢，7月最高為58.9 μmol/(g·d)，9月最低為50.9μmol/(g·d)。

(2)興安落葉松人工林和杜鵑-興安落葉松林土壤纖維素酶活性隨季節的變化趨勢基本一致，在人工林中9月最低為9.9 mg/(g·d)；白樺-興安落葉松林和興安落葉松純林土壤纖維素酶活性7月到10月的變化趨勢一致，先升高再降低，9月最高分別為53.7、62.6 mg/(g·d)，5月到7月變化不大。

(3)杜鵑-興安落葉松林土壤蔗糖酶活性隨季節變化表現為降低—升高—升高趨勢，10月最高為74.1 mg/(g·d)，7月最低為35.1 mg/(g·d)；在人工林中9月最低為44.4 mg/(g·d)，5月最高為150.5 mg/(g·d)；白樺-興安落葉松林土壤蔗糖酶活性隨季節變化持續升高，10月最高為58.4 mg/(g·d)，5月最低為16.1 mg/(g·d)；興安落葉松純林土壤蔗糖酶活性5月到7月大幅度下降，之后小幅度回升，7月最低為56.1 mg/(g·d)，5月最高為137.3 mg/(g·d)。

(4)白樺-興安落葉松林土壤過氧化氫酶活性5月最高為33.2 μmol/(g·d)，10月最低為28.1 μmol/(g·d)；興安落葉松純林土壤過氧化氫酶活性5月最高為37.1 μmol/(g·d)，10月最低為20.9 μmol/(g·d)，7月到9月小幅度回升；興安落葉松人工林和杜鵑-興安落葉松林土壤過氧化氫酶活性變化趨勢7月到10月基本一致，9月最高分別為32.2、36.1 μmol/(g·d)。

(5)興安落葉松純林和杜鵑-興安落葉松林土壤脲酶活性隨季節的變化趨勢基本一致，9月最高分別為540.2、631.9 μg/(g·d)，5月最低但相差不大；白樺-興安落葉松林和興安落葉松人工林土壤脲酶活性隨季節的變化趨勢基本一致，白樺-興安落葉松林10月最高為693.7 μg/(g·d)，5月最低為150.5 μg/(g·d)，興安落葉松人工林7月最高為540.2 μg/(g·d)，5月最低為227.9 μg/(g·d)。

2.3 土壤化學性質與酶活性的相關性

由表5可知，杜鵑-興安落葉松林土壤纖維素酶活性與全鉀含量呈顯著正相關，酸性磷酸酶活性與有機碳含量呈極顯著負相關，過氧化氫酶活性與全氮含量呈顯著正相關；興安落葉松純林土壤纖維素酶活性與全氮、全鉀含量呈顯著正相關，與速效氮含量呈極顯著正相關，脲酶活性與速效鉀含量呈極顯著負相關；白樺-興安落葉松林和興安落葉松人工林土壤化學性質與酶活性無明顯相關性。

表5 土壤化學性質與酶活性的相關性分析

對不同林型下土壤化學性質與酶活性進行整體RDA分析，結果如圖1所示。由圖1可知，不同林型與土壤酶活性第1個RDA軸的解釋率為53.1%，第2個RDA軸的解釋率為29.7%。土壤酸性磷酸酶活性與全磷、全氮、速效鉀含量呈顯著正相關，與有機碳含量呈負相關性；土壤過氧化氫酶活性受土壤化學性質的影響由大到小依次為：全氮、速效鉀、速效氮、速效磷，且均呈顯著正相關，與全鉀含量呈負相關；土壤蔗糖酶活性主要受速效磷和速效氮含量顯著影響，土壤脲酶和纖維素酶活性受土壤有機碳影響最大，呈顯著正相關。

圖1 不同林型下土壤酶活性、化學組成之間的RDA分析

2.4 土壤主成分分析

對4種興安落葉松林土壤化學性質與酶活性的14個指標進行主成分分析，白樺-興安落葉松林前2個主成分的累計貢獻率達87.38%，能夠有效反映土壤化學性質和酶活性的指標信息。第1主成分的貢獻率為51.89%，主要決定因子為土壤蔗糖酶和脲酶活性；第2主成分的貢獻率為35.49%，主要決定因子為土壤全氮,見表6。

表6 白樺-興安落葉松林主成分分析

興安落葉松純林前2個主成分的累計貢獻率達91.303%，能夠有效反映土壤化學性質和酶活性的指標信息。第1主成分的貢獻率為58.711%，主要決定因子為全氮和速效氮、全鉀含量、C/N以及過氧化氫酶活性；第2主成分的貢獻率為32.592%，主要決定因子為有效磷、土壤有機碳含量,見表7。

表7 興安落葉松純林主成分分析

杜鵑-興安落葉松林前2個主成分的累計貢獻率達86.203%，能夠有效反映土壤化學性質和酶活性的指標信息。第1主成分的貢獻率為57.752%，主要決定因子為全氮、速效氮、速效鉀含量以及土壤過氧化氫酶活性；第2主成分的貢獻率為28.451%，主要決定因子為土壤有機碳含量見表8。

表8 杜鵑-興安落葉松林主成分分析

興安落葉松人工林前2個主成分的累計貢獻率達83.517%，能夠有效反映土壤化學性質和酶活性的指標信息。第1主成分的貢獻率為57.819%，決定因子為全氮、速效氮、速效鉀含量以及土壤蔗糖酶活性；第2主成分的貢獻率為25.698%，主要決定因子為土壤全磷和有機碳含量,見表9。

表9 興安落葉松人工林主成分分析

3 討論

3.1 土壤化學性質隨季節的變化特征

土壤全氮包括有機態氮和無機態氮，除了極少數簡單的有機態氮外，植物利用的均是無機態氮及由微生物轉化有機態氮而來的無機態氮，全氮含量能夠反映林地土壤氮素的儲備情況[24-25]。速效氮可被植物快速吸收利用，能較好反映近期土壤氮素的供應狀況和氮素的釋放速率[26]。本研究顯示，興安落葉松純林和人工林土壤全氮、速效氮、全鉀和速效鉀含量隨季節變化逐漸降低，白樺-興安落葉松林和杜鵑-興安落葉松林土壤全氮和速效氮含量9月最高，原因可能是白樺-興安落葉松和杜鵑-興安落葉松林下凋落物含量較高，通過微生物轉化影響了全氮和速效氮含量[27]。興安落葉松人工林的速效養分速效氮、有效磷和速效鉀含量在整個生長季逐漸降低，與孫鵬躍等[28]對華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林的研究結果基本相同，其發現落葉末期養分含量會有小幅度升高，本研究沒有顯示出來，可能是因為地域樹種差異引起的落葉時間差異造成的。土壤磷含量能夠有效改變植物呼吸速率，提高生產力[29]。本研究發現，興安落葉松人工林土壤全磷含量5—9月逐漸降低，與劉宏偉等[30]在涼水自然保護區對落葉松人工林土壤全磷含量的季節動態變化研究基本一致，6月最高，9月最低，且方差分析顯示落葉松人工林土壤全磷含量隨季節變化差異顯著。白樺-興安落葉松林土壤全磷含量隨季節變化先降低后升高，7月最低，10月最高，興安落葉松純林和杜鵑-興安落葉松林土壤全磷含量在生長季(5—9月)逐漸增加，在落葉季(9—10月)逐漸下降。有機碳含量是評價土壤肥力的重要指標，本研究中土壤有機碳含量隨季節的變化基本一致，但不同林型間存在較大差異，在興安落葉純松林和人工林中其表現為增高—降低—降低趨勢，人工林的變化幅度較大。池鑫晨等[31]研究發現闊葉林中土壤有機碳含量夏季最低、秋季最高，本研究中白樺-興安落葉松林土壤有機碳含量從夏季到秋季明顯升高，與其研究相似，但本研究有機碳含量最低季節在冬季，與當地溫度幅度有很大相關性。

3.2 土壤酶活性的季節動態

本研究顯示，5種土壤酶活性均表現出明顯的季節變化差異，與許多研究結果相似[32-33]。土壤脲酶直接參與土壤含氮有機化合物的轉化，其活性與土壤氮素、pH等直接相關[34-35]。楊麗等[32]研究發現草類-興安落葉松林土壤脲酶活性與本研究興安落葉松純林脲酶活性變化趨勢相似，均在秋季最高。龐威[36]研究發現杜鵑-興安落葉松林土壤全氮和速效氮含量均在9月呈上升趨勢，土壤氮素提升可促進土壤氮素相關酶-脲酶活性升高。不同季節蔗糖酶活性在白樺-興安落葉松林未表現出顯著差異，但在其他林型中差異顯著，土壤蔗糖酶主要參與土壤的碳循環過程，從本研究來看，白樺-興安落葉松林土壤有機碳含量變化較小，這可能是導致土壤蔗糖酶并未發生改變的主要原因之一，與裴丙等[37]的研究結果一致；但在興安落葉松純林和杜鵑-興安落葉松林中的變化趨勢均為降低—升高—升高，5月最高，7月最低，后3個月差異不大，與裴丙等[37]的研究結論有所不同，其原因可能是因為5月研究區積雪融化和氣溫升高為土壤提供了良好的溫濕環境，促進土壤微生物活動，而隨著降雨減少，地表溫度升高，二者均會顯著限制土壤微生物活動[38]，因此草本和杜鵑-興安落葉松林在7月土壤微生物活動有所下降。裴丙等[37]對不同林齡側柏(Platycladusorientalis)人工林土壤蔗糖酶活性的研究發現，土壤蔗糖酶夏季最高，春秋次之，冬季最低，隨林齡增加，蔗糖酶活性逐漸增加，其原因可能是隨著林齡增加，植物枯落物增加，土壤有機質歸還量升高，影響了土壤蔗糖酶活性[39-40]。本研究中酸性磷酸酶、過氧化氫酶活性隨季節變化差異不大，春夏秋基本不變，10月其活性呈顯著下降趨勢，與張德楠等[41]、王艮梅等[42]研究結論相同。土壤酸性磷酸酶活性與土壤碳、氮、磷含量有關，是評價土壤磷素生物轉化方向和強度的指標，鄭興蕊等[43]研究不同森林土壤酶活性對模擬氮沉降的響應，其中低氮處理顯著促進了酸性磷酸酶活性，且蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶等活性在不同林分中表現出明顯差異性。本研究中興安落葉松純林、白樺-興安落葉松林和人工林土壤纖維素酶活性在9月達到最大值，其原因可能是隨著凋落物積累，土壤微生物活動頻繁，影響了纖維素酶活性。土壤纖維素酶活性在杜鵑-興安落葉松林中隨季節變化表現為升高—降低—升高趨勢，其原因可能是杜鵑生長季較短，集中在5—7月，土壤微生物活動在8月后減弱[44-45]。

4 結論

(1)土壤化學性質和酶活性不同林型和季節存在顯著差異，且變化趨勢也有一定不同，可能與不同林型間凋落物不同有關，這說明植被類型間的差異會導致其化學性質和土壤酶活性發生不同改變。

(2)土壤酶活性與化學性質呈現不同程度相關性，土壤酸性磷酸酶活性受土壤全磷、全氮和速效鉀含量影響較大；土壤過氧化氫酶活性與全氮、速效氮、速效鉀和速效磷含量呈顯著正相關；土壤蔗糖酶活性主要受速效磷和速效氮含量顯著影響；土壤脲酶和纖維素酶活性受土壤有機碳含量影響最大。

(3)土壤全氮、速效氮、過氧化氫酶與蔗糖酶活性是興安落葉松林的主要影響因素。